一種銅銀鋯合金大尺寸鍛造餅坯的制備方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及特種金屬材料領(lǐng)域，具體涉及一種銅銀鋯合金大尺寸鍛造餅坯的制備方法，其步驟為：(1)將Cu-Zr合金和單質(zhì)Ag分別放于感應(yīng)真空爐內(nèi)，抽真空加熱，待合金完全熔化后，對熔體進(jìn)行過濾澆注；(2)將鑄錠放入加熱爐中進(jìn)行均勻化熱處理，熱處理采用雙級均勻化制度；(3)反復(fù)進(jìn)行鐓粗和拔長變形，共四鐓四拔；(4)淬火、時效處理。本發(fā)明所述的銅銀鋯合金大尺寸鍛造餅坯的制備方法可應(yīng)用于重型運(yùn)載、可重復(fù)使用飛行器等構(gòu)件制造，對于發(fā)動機(jī)推力室使用壽命及發(fā)動機(jī)推力的提升起到了至關(guān)重要的技術(shù)支撐作用。
【專利說明】一種銅銀鋯合金大尺寸鍛造餅坯的制備方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于特種金屬材料及工藝領(lǐng)域，具體涉及一種高強(qiáng)銅銀鋯合金鍛造餅坯的 制備方法，其用于制備大型運(yùn)載發(fā)動機(jī)用結(jié)構(gòu)部件。

【背景技術(shù)】
[0002] 隨著重型運(yùn)載對液體發(fā)動機(jī)的推力需求越來越大，而大推力比的發(fā)動機(jī)對材料提 出了更高的要求。選用高強(qiáng)度、高耐熱和高疲勞壽命的銅銀鋯合金替代銅鋯合金作為發(fā)動 機(jī)推力室的內(nèi)壁材料是目前主要的發(fā)展趨勢之一。另外，由于發(fā)射和材料制備成本的增加， 具有較高疲勞壽命的銅銀鋯合金在可重復(fù)使用飛行器領(lǐng)域也具有廣闊的應(yīng)用前景。
[0003]發(fā)動機(jī)工作時，銅合金在經(jīng)歷低溫一高溫的熱交變循環(huán)過程，易因低周疲勞而破 壞。我國目前在役的運(yùn)載火箭發(fā)動機(jī)的內(nèi)壁材料為銅鋯合金，在長程試車時均不同程度出 現(xiàn)內(nèi)壁產(chǎn)生裂紋問題，因此，擬采用具有較高強(qiáng)度、耐熱性和坯料壽命的銅銀鋯合金作內(nèi)壁 材料，代替目前存在諸多問題的銅鋯合金。但是，由于銀不易與其他金屬結(jié)合形成化合物固 溶于基體中，因此銅銀鋯合金在熔煉過程中容易形成大量的氣孔、夾雜、偏析等缺陷。這些 缺陷不會在后續(xù)的鍛造變形過程中消除，造成銅銀鋯合金批次報廢或不滿足指標(biāo)要求。目 前，國內(nèi)尚不具備銅銀鋯合金餅坯的制備方法。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明針對目前國內(nèi)不具備生產(chǎn)大型高強(qiáng)銅銀鋯合金錠坯的技術(shù)工藝方法，提出 一種銅銀鋯合金大尺寸鍛造餅坯的制備方法，突破了重型運(yùn)載發(fā)動機(jī)的推力和使用壽命在 材料方面的技術(shù)瓶頸。
[0005] 實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的的技術(shù)方案；一種銅銀鋯合金大尺寸鍛造餅坯的制備方法，所 述的銅銀鋯合金的成分為，Ag的質(zhì)量百分比為2. 8?3. 2%，Zr的質(zhì)量百分比為0. 4? 0. 5%，其余為Cu ;其按照如下步驟進(jìn)行：
[0006] (1)鑄錠熔煉
[0007] 將按照比例配好的Cu-Zr合金和單質(zhì)Ag分別放于感應(yīng)真空爐內(nèi)，抽真空，待真空 度低于10 5時，開始加熱，溫度升至1240?1300°(：;待合金完全熔化后，每20?401^11攪 拌一次，共攬拌3?5次后，靜置約25?3 5min ;靜置完成后，對溶體進(jìn)行過濾燒注，隨后冷 卻至室溫；
[0008] (2)均勻化熱處理
[0009] 將步驟（1)所得鑄錠放入加熱爐中進(jìn)行均勻化熱處理，熱處理采用雙級均勻化制 度，具體為先在930?950°C保溫11?13小時，然后出爐進(jìn)行空冷，隨后將鑄錠放在815? 855?保溫11?13小時后出爐鍛造；
[0010] (3)鐓粗、拔長、整形
[0011] 鍛造過程中上下墊板的加熱溫度為680?720? ;反復(fù)進(jìn)行鐓粗和拔長變形，共四 鐓四拔；
[0012] 首先將鑄錠沿著徑向進(jìn)行第一次鐓粗變形，變形量控制在50?60%，隨后進(jìn)行拔 長，第一次拔長次數(shù)7?13次，拔長過程中的壓下量控制在15?25% ;
[0013] 翻轉(zhuǎn)錠坯進(jìn)行第二次鐓粗變形，變形量控制在40?50%，接著繼續(xù)拔長，第二次 拔長次數(shù)7?13次，拔長過程中的壓下量控制在15?25% ;
[0014] 翻轉(zhuǎn)錠坯進(jìn)行第三次鐓粗變形，變形量控制在25?45%，接著繼續(xù)拔長，第三次 拔長次數(shù)10?16次，拔長過程中的壓下量控制在5?25% ;
[0015] 翻轉(zhuǎn)錠坯進(jìn)行第四次鐓粗變形，變形量控制在10?40%，接著繼續(xù)拔長，第四次 拔長次數(shù)12?18次，拔長過程中的壓下量控制在5?25% ;
[0016] 第四道次鐓粗和拔長過程中通過限位塊控制壓下量以保證比最終板材的厚度高 40mm ;拔長完成后進(jìn)行整形校平，壓下量控制在5mm ;
[0017] (4)淬火、時效處理；
[0018] 整形完成以后，將餅坯投入溫度為20-30°C的水中進(jìn)行淬火處理；淬火的時間控 制在10?30分鐘；隨后，將淬火的板材撈出晾干后放入溫度為460?490°C熱處理爐中進(jìn) 行時效處理，時效處理的時間為9?11小時，時效完成后出爐空冷；最終得到的鍛件經(jīng)機(jī) 械加工處理得到得到符合尺寸要求的板材。
[0019] 如上所述的一種銅銀鋯合金大尺寸鍛造餅坯的制備方法，其所述的大尺寸鍛造餅 還的直徑在450mm以上、厚度在30mm以上。
[0020] 如上所述的一種銅銀鋯合金大尺寸鍛造餅坯的制備方法，其所述的銅銀鋯合金的 成分為，Ag的質(zhì)量百分比為3%，Zr的質(zhì)量百分比為0. 5%,其余為Cu。
[0021] 本發(fā)明的效果在于：針對目前國內(nèi)尚不具備生產(chǎn)高強(qiáng)銅銀鋯合金大型錠坯的技術(shù) 方法的現(xiàn)狀，本發(fā)明提供一種銅銀鋯合金大尺寸鍛造餅坯的制備方法，并將其應(yīng)用于重型 運(yùn)載、可重復(fù)使用飛行器等構(gòu)件制造，對于發(fā)動機(jī)推力室使用壽命及發(fā)動機(jī)推力的提升起 到了至關(guān)重要的技術(shù)支撐作用。鑄錠熔煉采用規(guī)律性攪拌和靜置，減少熔煉過程中氣孔、夾 雜、偏析和鋯元素?zé)龘p；鑄錠出爐進(jìn)行雙級均勻化處理，消除鑄造過程中形成的缺陷；均勻 化處理后，對鑄錠進(jìn)行四鐓四拔的多向鍛造變形，單道次大變形量且逐級遞減的方式控制 錠坯的各項異性，獲得弱各向異性的髙強(qiáng)銅銀鋯合金錠坯；將鍛造后的錠坯進(jìn)行整形，變形 量控制在一定的范圍之內(nèi)；隨后，對錠坯進(jìn)行優(yōu)化后的時效處理，進(jìn)一步提高合金的強(qiáng)度； 時效完成后出爐空冷，機(jī)加掉表層氧化皮和邊角毛刺。

【具體實(shí)施方式】
[0022]下面結(jié)合具體實(shí)施例對本發(fā)明所述的一種銅銀鋯合金大尺寸鍛造餅坯的制備方 法作進(jìn)一步描述。
[0023] 實(shí)施例1
[0024] 本發(fā)明所述的銅銀鋯合金的成分為Cu-3Ag-0. 5Zr，即Ag的質(zhì)量百分比為3%，Zr 的質(zhì)量百分比為0. 5%，其余為Cu。
[0025]以Φ 540 X 38mm的銅銀鋯合金錠坯為例，其制備步驟為：
[0026] (1)鑄錠熔煉
[0027] 將按照比例配好的Cu-Zr合金和單質(zhì)Ag分別放于感應(yīng)真空爐內(nèi)，抽真空，待真空 度低于1(Γ5時，開始加熱，溫度升至127(TC;待合金完全熔化后，每30min攪拌一次，共攪拌 4次后，靜置約30min ;靜置完成后，對熔體進(jìn)行過濾澆注，隨后冷卻至室溫；
[0028] (2)均勻化熱處理
[0029] 將步驟（1)所得鑄錠放入加熱爐中進(jìn)行均勻化熱處理，熱處理采用雙級均勻化制 度，具體為先在940?保溫12小時，然后出爐進(jìn)行空冷，隨后將鑄錠放在835?保溫12小時 后出爐鍛造；
[0030] ⑶鐓粗、拔長、整形
[0031] 鍛造過程中上下墊板的加熱溫度為700°C ;反復(fù)進(jìn)行鐓粗和拔長變形，共四鐓四 拔；
[0032] 首先將鑄錠沿著徑向進(jìn)行第一次鐓粗變形，變形量控制在55%，隨后進(jìn)行拔長，第 一次拔長次數(shù)10次，拔長過程中的壓下量控制在20% ;
[0033] 翻轉(zhuǎn)錠坯進(jìn)行第二次鐓粗變形，變形量控制在45%，接著繼續(xù)拔長，第二次拔長次 數(shù)10次，拔長過程中的壓下量控制在20% ;
[0034] 翻轉(zhuǎn)錠坯進(jìn)行第三次鐓粗變形，變形量控制在35%，接著繼續(xù)拔長，第三次拔長次 數(shù)13次，拔長過程中的壓下量控制在15% ;
[0035] 翻轉(zhuǎn)錠坯進(jìn)行第四次鐓粗變形，變形量控制在20%，接著繼續(xù)拔長，第四次拔長次 數(shù)15次，拔長過程中的壓下量控制在10% ;
[0036] 第四道次鐓粗和拔長過程中通過限位塊控制壓下量以保證比最終板材的厚度高 40mm ;拔長完成后進(jìn)行整形校平,壓下量控制在5mm ;
[0037] (4)淬火、時效處理；
[0038] 整形完成以后，將餅坯投入溫度為25°C的水中進(jìn)行淬火處理；淬火的時間控制在 20分鐘；隨后，將淬火的板材撈出晾干后放入溫度為475°C熱處理爐中進(jìn)行時效處理，時效 處理的時間為10小時，時效完成后出爐空冷；最終得到的鍛件經(jīng)機(jī)械加工處理得到合于尺 寸要求的標(biāo)準(zhǔn)板材（ φ 540 X 38mm)。
[0039] 本發(fā)明通過嚴(yán)格控制真空度，降低鋯元素的損失。規(guī)律性的攪拌促使合金元素不 易產(chǎn)生偏析且氣孔上浮，避免鑄錠中雜質(zhì)或偏析的出現(xiàn)。均勻化處理的手段使得基體上的 大部分第二項固溶入基體中，大幅度提高了合金的塑性變形能力，并提高了合金的微觀組 織和力學(xué)性能的均勻性，降低了銀元素的偏析。采用多次鐓粗和拔長交替進(jìn)行的鍛造工藝， 目的主要在于降低單道次的變形量和改善變形組織的均勻性，避免材料在長期的鐓拔過程 中由于變形過大而開裂。校平工序減小了最終餅坯的外形尺寸誤差。淬火處理及隨后的時 效處理，通過過飽和固溶體的等溫析出進(jìn)一步提高了材料的室溫及高溫力學(xué)性能。所有技 術(shù)手段的綜合運(yùn)用最終得到了尺寸規(guī)格合于要求、表面及內(nèi)部無裂紋、組織均勻、力學(xué)性能 優(yōu)良的高強(qiáng)銅銀鋯鍛造餅坯。依據(jù)GB/T2 28_2〇〇2測量的鍛件的力學(xué)性能如表1所示。
[0040] 表1高強(qiáng)銅銀鋯合金鍛造餅坯的力學(xué)性能
[0041]

【權(quán)利要求】
1. 一種銅銀鋯合金大尺寸鍛造餅坯的制備方法，所述的銅銀鋯合金的成分為，Ag的質(zhì) 量百分比為2. 8?3. 2%，Zr的質(zhì)量百分比為0. 4?0. 5%，其余為Cu ;其特征在于：該方 法按照如下步驟進(jìn)行： (1) 鑄錠熔煉 將按照比例配好的Cu-Zr合金和單質(zhì)Ag分別放于感應(yīng)真空爐內(nèi)，抽真空，待真空度低 于10_5時，開始加熱，溫度升至1240?1300°C ;待合金完全熔化后，每20?40min攪拌一 次，共攪拌3?5次后，靜置約25?35min ;靜置完成后，對熔體進(jìn)行過濾澆注，隨后冷卻至 室溫； (2) 均勻化熱處理 將步驟（1)所得鑄錠放入加熱爐中進(jìn)行均勻化熱處理，熱處理采用雙級均勻化制度， 具體為先在930?950°C保溫11?13小時，然后出爐進(jìn)行空冷，隨后將鑄錠放在815? 855 °C保溫11?13小時后出爐鍛造； (3) 鐓粗、拔長、整形 鍛造過程中上下墊板的加熱溫度為680?720°C ;反復(fù)進(jìn)行鐓粗和拔長變形，共四鐓四 拔； 首先將鑄錠沿著徑向進(jìn)行第一次鐓粗變形，變形量控制在50?60%，隨后進(jìn)行拔長， 第一次拔長次數(shù)7?13次，拔長過程中的壓下量控制在15?25% ; 翻轉(zhuǎn)錠坯進(jìn)行第二次鐓粗變形，變形量控制在40?50 %，接著繼續(xù)拔長，第二次拔長 次數(shù)7?13次，拔長過程中的壓下量控制在15?25% ; 翻轉(zhuǎn)錠坯進(jìn)行第三次鐓粗變形，變形量控制在25?45%，接著繼續(xù)拔長，第三次拔長 次數(shù)10?16次，拔長過程中的壓下量控制在5?25% ; 翻轉(zhuǎn)錠坯進(jìn)行第四次鐓粗變形，變形量控制在10?40%，接著繼續(xù)拔長，第四次拔長 次數(shù)12?18次，拔長過程中的壓下量控制在5?25% ; 第四道次鐓粗和拔長過程中通過限位塊控制壓下量以保證比最終板材的厚度高40mm ; 拔長完成后進(jìn)行整形校平，壓下量控制在5mm ; (4) 淬火、時效處理； 整形完成以后，將餅坯投入溫度為20-30°C的水中進(jìn)行淬火處理；淬火的時間控制在 10?30分鐘；隨后，將淬火的板材撈出晾干后放入溫度為460?490°C熱處理爐中進(jìn)行時 效處理，時效處理的時間為9?11小時，時效完成后出爐空冷；最終得到的鍛件經(jīng)機(jī)械加工 處理得到符合尺寸要求的板材。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種銅銀鋯合金大尺寸鍛造餅坯的制備方法，其特征在于： 所述的大尺寸鍛造餅坯的直徑在450mm以上、厚度在30mm以上。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種銅銀鋯合金大尺寸鍛造餅坯的制備方法，其特征在于： 所述的銅銀鋯合金的成分為，Ag的質(zhì)量百分比為3%，Zr的質(zhì)量百分比為0.5%，其余為Cu。
【文檔編號】C22F1/08GK104232978SQ201410441568
【公開日】2014年12月24日 申請日期:2014年9月1日 優(yōu)先權(quán)日:2014年9月1日
【發(fā)明者】韓修柱, 張緒虎, 陰中煒, 何仕桓, 任秀峰 申請人:航天材料及工藝研究所, 中國運(yùn)載火箭技術(shù)研究院